Лабы по ГТО. Практикум Красноярск 2009 Федеральное агентство по образованию гоу впо сибирский государственный технологический университет

• Название: Практикум Красноярск 2009 Федеральное агентство по образованию гоу впо сибирский государственный технологический университет
• Анкор: Лабы по ГТО.doc
• Дата: 27.08.2018
• Размер: 2.83 Mb.
• Имя файла: Лабы по ГТО.doc
• Тип: Практикум; #23629
• страница: 2 из 9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

(2 часа)

НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ДРЕВЕСНЫХ СОРТИМЕНТОВ
Качество изделий из древесины, получаемых путем механической обработки, в значительной степени зависит от ее упругопластических свойств. Улучшить качество операций пиления, лущения, строгания, склеивания и гнутья древесины можно с помощью тепловой обработки.

В связи с этим в практике часто возникает необходимость управления процессом нагревания древесных сортиментов и выполнения расчетов, связанных с определением продолжительности их нагревания до заданной температуры или, наоборот, установлением температуры материала после тепловой обработки в течение заданного времени.
1.1 Цель работы
Определение температуры в заданной точке нагреваемых древесных сортиментов: пластины или параллелепипеда. Построение экспериментальной и расчетной температурных кривых в зависимости от продолжительности процесса нагревания.
1.2 Содержание работы
1.2.1 Проведение процесса нагревания двух древесных сортиментов: неограниченная пластина и параллелепипед (номер сортимента указывает преподаватель). В ходе процесса нагревания следует производить измерение температуры нагревающей среды (t_с) и температуру в центре нагреваемых древесных сортиментов (t_i). После выполнения процесса нагревания произвести охлаждение древесных сортиментов так же с измерением температур t_c, t_i.

1.2.2 На основании результатов проведенного опыта построить следующие графические зависимости.

Три экспериментальных графика: первый - изменение температуры среды в процессе нагревания и охлаждения древесных сортиментов. Второй и третий графики - изменение температуры в заданной точке древесных сортиментов используемых в опыте.

Четвертый график – изменение температуры, рассчитанной аналитическим путем, для одного из древесных сортиментов, используемых в опыте. Методика выполнения расчета приведена в п. 1.7.

Все четыре графика следует вычертить на одном рисунке.

1.2.3 Сравнение температурных кривых.
1.3 Оборудование, приборы, инструменты
1 Автоклав.

2 Хромель-копелевые термопары (ТХК).

3 Многоканальный измеритель-регулятор температуры ТРМ138.

4 Древесные сортименты.

5 Штангенциркуль, линейка.

6 Секундомер.
1.4 Краткое описание лабораторной установки
Лабораторная установка для изучения процесса нагревания древесных сортиментов (рисунок 1.1) включает следующие элементы: автоклав (8), щит управления (13), термопары (10). Автоклав (8) состоит из котла (12) и нагревательной камеры (6).


1 – электронагреватель; 2, 4, 5, 9, 11 – вентили; 3 – водомерное стекло;

6 – нагревательная камера; 7 - образец; 8 – автоклав; 10 – термопары;

12 – котел; 13 – щит управления; 14, 15 – кнопки; 16 – лампочка;

17 – переключатель; 18 – многоканальный измеритель-регулятор температуры ТРМ138
Рисунок 1.1- Схема установки для изучения процесса нагревания древесных сортиментов
Для выполнения процесса нагревания образцы (7) помещают в нагревательную камеру (6) автоклава. Камера (6) автоклава обогревается котлом (12), оснащенным электронагревателем (1). Контроль уровня воды в котле осуществляется с помощью шкалы на водомерном стекле (3).

При разогреве котла (12) из него необходимо удалить воздух. Для этого следует открыть вентиль (5). Подача пара из котла (12) в камеру прогрева (6) осуществляется с помощью вентиля (9). Удаление конденсата, образующегося на дне камеры в процессе нагревания, производится после выполнения всех опытов посредством открывания вентиля (11). В рабочем положении должны быть открыты вентили (5) и (9).
1.5 Техника безопасности при выполнении работы
Автоклав, используемый для выполнения работы, должен быть надежно заземлен, т.к. нагревание в нем воды проводится при помощи электронагревателей (ТэН). В процессе работы наружная поверхность автоклава сильно нагревается, поэтому, во избежание ожогов, следует не допускать прикосновений к автоклаву незащищенными участками тела. Для извлечения образцов крышку автоклава следует открывать медленно, т. к. при этом возможен мощный поток пара из камеры нагревания. Закладку и удаление образцов из нагревательной камеры автоклава необходимо выполнять в рукавицах. Во избежание травмирования паром не следует наклоняться над открытым автоклавом, подключенным к сети.

При проведении работы автоклав герметизировать не следует (не завинчивать крышку автоклава), т. к. работа предусматривает исследование процесса нагревания при атмосферном давлении. Включение автоклава в электрическую цепь, а также загрузку и выгрузку образцов из камеры нагревания необходимо осуществлять только в присутствии преподавателя или лаборанта.

1.6 Порядок выполнения работы
1.6.1. По водомерному стеклу (3) проверить уровень воды в котле (12). Опыт можно проводить только при заполнении котла водой выше нижнего уровня. Если уровень ниже критического, в котел через стационарно закрепленную на автоклаве воронку следует залить воду. Открыть вентиль (5) (все остальные закрыть).

1.6.2 Нажатием кнопки «Пуск» включить питание щита управления.

Переключателем (17) включить электронагреватели (1) котла (12). Сигнализацией о включении электронагревателей служит лампочка «Нагрев» (16).

Разогрев котла производить в течение 25 - 30 мин. Установку следует считать готовой к работе, когда через клапан возле вентиля (5) начнется интенсивная подача пара.

1.6.3 В период разогрева котла необходимо установить исходные данные для расчета по каждому сортименту. Следует определить:

- к какому виду относится образец (неограниченная пластина или параллелепипед);

- породу, плотность, размеры сортиментов;

- начальную влажность, температуру;

- направление основного потока теплоты в процессе нагревания относительно годовых слоев.

Данные заносят в таблицу 1.1.

Прямоугольный древесный сортимент следует принимать за неограниченную пластину, если отношение его толщины S₁ к ширине S₂ меньше 0,3. При S₁/S₂ ≥ 0,3 сортимент следует рассматривать как параллелепипед неограниченной длины, образованный пересечением двух пластин толщиной 2R₁ и шириной 2R₂.

Измерение температуры в процессе нагревания будет осуществляться с помощью термопар, которые заделаны в центр сортиментов. Для измерения температуры обрабатывающей среды (пара) используется открытая термопара, которую обычно закладывают между двумя образцами. Показания температуры в процессе нагревания сортиментов снимаются с прибора «измеритель-регулятор температуры» - ТРМ138 (18).

Соответствие показаний каналов на приборе ТРМ138:

Канал №1………….	температура в центре образца №1
Канал №2………….	температура в центре образца №2
Канал №3………….	температура в центре образца №3
Канал №4………….	температура в центре образца №4
Канал №5………….	температура в центре образца №5
Каналы с №6 - №8...	температура среды в автоклаве

Таблица 1.1 - Характеристика образцов

Наименование параметра	Значение
	образец №..	образец №..
1	2	3
1 Порода
2 Базисная плотность древесины, кг/м3
3 Начальная влажность, %
4 Начальная температура, С
5 Половина толщины сортимента, R1, м
6 Половина ширины сортимента, R2, м
7 Вид сортимента (неограниченная пластина, параллелепипед)
8 Расстояние от поверхности сортимента до термопары, м: по толщине X1 по ширине Х2
9 Безразмерная координата X1/R1 X2/R2
10 Направление основного потока теплоты относительно годичных слоев

Влажность древесных сортиментов используемых в экспериментах следует принять равной 10 %.

1.6.4. После разогрева автоклава образцы (7) с присоединенными к ним термопарами и открытую термопару загрузить в камеру прогрева (6).

1.6.5 Автоклав перевести в рабочий режим. Для этого необходимо: опустить крышку автоклава (не завинчивать), открыть вентиль (9) после чего перекрыть вентиль (5).

1.6.6 Произвести измерение температуры древесных сортиментов и агента обработки в процессе нагревания. Измерения температуры следует осуществлять с интервалом 2 мин. Процесс нагревания проводить до тех пор пока два последних измерения покажут одинаковую температуру (Общая продолжительность нагревания может составлять не менее 30 мин).

В процессе проведения опыта температура среды в нагревательной камере (6) автоклава (8) через некоторое время стабилизируется и достигает уровня 97 - 99 С. Для того чтобы избежать интенсивного выделения пара из-под крышки автоклава (8) следует с помощью переключателя (17) периодически отключать электронагреватель (1).

1.6.7 Выполнив последнее измерение процесса нагревания переключателем (17) отключить электронагреватель (1).Затем закрыть вентиль (9), тем самым, отключая подачу пара в камеру (6), и полностью открыть вентиль (5). Далее в присутствии лаборанта извлечь образцы из автоклава и произвести измерение температуры среды и образцов в процессе охлаждения. Измерения выполнить с интервалом 2 минуты в течение 10 минут. Значения температур занести в таблицу 1.2.

1.6.8 По окончании опыта обесточить щит управления (13), нажав кнопку «Стоп» (15).

Таблица 1.2 - Изменение температуры в процессе нагревания и охлаждения древесных сортиментов

Продолжительность процесса, мин	Температура, °С
	парогазовой среды	в центре образца №_	в центре образца №_
Нагревание
Охлаждение

1
- температура в среды; 2 - опытная температура в центре тонкого сортимента; 3 - опытная температура в центре толстого сортимента; 4 - расчетная температура

Рисунок 1.2 – Изменение температуры среды и температуры древесных сортиментов в процессе их нагревания и охлаждения

1.6.9. По полученным экспериментальным данным построить зависимость температуры среды и древесного сортимента от продолжительности его нагревания (рисунок 1.2).
1.7 Вычисление температуры
Экспериментальные данные необходимо сравнить с расчетным значением исследуемой температуры в центре нагреваемого сортимента.

Расчеты следует выполнить по исходным данным, занесенным в таблицу 1.1. для продолжительности нагревания 10, 20 и 30 минут. В расчетах температуру среды следует принять равной среднему арифметическому значению всех измерений за период с начала нагревания.

Для того чтобы избежать ошибок при расчетах, принятые исходные данные необходимо согласовать с преподавателем.

Расчет продолжительности нагревания древесных сортиментов выполняют по следующей методике. Например, для сосновой доски толщиной S₁=2R₁=0,05 м, шириной S₂=2R₂=0,20 м, влажностью W=10 % с начальной температурой t_o=20 С нужно определить температуру в центре сортимента, прогреваемого паром t_с=100 С через 10, 20, 30 мин обработки. Поскольку отношение S_l/S₂=0,05/0,20=0,25, т. е меньше 0,3, следовательно, данный образец можно характеризовать как неограниченную пластину и принять, что для такого сортимента поток теплоты распространяется только через пласть, т.е. в поперечном направлении сортимента. Потоком теплоты в продольном направлении, т.е. через торцы сортимента в этом случае пренебрегают.

Вначале, на основании исходных данных, определяют удельную теплоемкость (С), коэффициент теплопроводности () и плотность древесины ().

Коэффициент теплопроводности вычисляют по формуле
 = _нк_хк_, (1.1)
где _н - номинальное значение коэффициента теплопроводности;

к_х, к_- коэффициенты, учитывающие влияние плотности древесины и направление основного потока теплоты.

Значение _н определяют по диаграмме (приложение А, рисунок. А.2) для среднего арифметического значения температур. Коэффициенты к_х, к_ определяют по приложению А, таблица А.1, А.2.

Для рассматриваемого случая
 = 0,210,87 = 0,174 Вт/мград.
Удельную теплоемкость древесины определяют как среднее значение ее теплоемкостей при t_o и t_c (приложение А, рисунок А.3)
(1.2)
кДж/кг
Плотность древесины вычисляют по формуле
(1.3)
где _б - базисная плотность древесины (значения приведены в приложении А, таблица А.3);

к_у - коэффициент объемной усушки (значения приведены в приложении А, та6лица А4).
кг/м³
После чего определяется температуропроводность древесины (а) и критерий Фурье F₀.
(1.4)

(1.5)
Критерий Фурье рассчитывается для каждого заданного интервала времени



По полученным значениям критерия Фурье и относительной координаты X/R с помощью диаграммы, приведенной в приложении А, рисунок А4, определяются безразмерные температуры , по которым на основании уравнения 1.6 устанавливают искомые температуры:
t = t_с - (t_с - t_о). (16)
t₁ = 100 - 0,83(100 - 20) = 34 С
t₂ = 100 - 0,55(100 - 20) = 56 С
t₃ = 100 - 0,38(100 - 20) = 70 С
Если для исследуемого сортимента отношение его толщины к ширине S₁/S₂≥0,3 то он принимается за параллелепипед неограниченной дайны, образованный пересечением пластин S₁=2R₁ и S₂=2R₂.

Для того чтобы определить температуру в центре такого сортимента в процессе нагревания, необходимо выполнить следующие вычисления: сначала вычисляют коэффициент температуропроводности древесины по толщине и ширине сортимента, затем вычисляют критерий Фурье по толщине и ширине сортимента, после этого по приложению А, рисунок А.4, находят безразмерные температуры по толщине и ширине сортимента - ₁ и ₂. Безразмерные температуры параллелепипеда вычисляют по формуле
_n = ₁₂ (1.7)
Отсюда температура в заданной точке параллелепипеда будет равна

t = t_с - _n(t_с - t_о) (1.8)

Вычислив значения температур для заданной продолжительности обработки, можно построить график процесса нагревания данного сортимента.

Некоторые расхождения между опытной и расчетной зависимостями возможны вследствие инерционности измерительных приборов, недостаточной точности исходных данных и ошибок при усреднении тепловых коэффициентов.

На основании произведенных расчетов построить теоретическую (расчетную) кривую изменения температуры в заданной точке древесного сортимента в процессе его нагревания и охлаждения (см. рисунок 1.2).
1.8 Выводы
Описать характер процесса нагревания древесных сортиментов. Сравнить полученные расчетную и экспериментальную температурные кривые. Указать факторы, оказывающие влияние на длительность нагревания древесного сортимента до заданной температуры.
1.9 Контрольные вопросы
1 Дайте определение понятия – «удельная теплоемкость древесины».

2 Дайте определение понятия - «коэффициент теплопроводности древесины».

3 Какую величину следует принимать за определяющий размер для неограниченной пластины и неограниченного цилиндра?

4 Приведите формулы для вычисления параметров: коэффициент температуропроводности древесины, критерий Фурье, безразмерная температура, безразмерная координата?

5 Изложите методику расчета продолжительности нагревания древесного сортимента до заданной температуры (начальная температура древесины выше, ниже нуля).

6 По какому критерию устанавливают вид древесного сортимента: пластина либо параллелепипед?

7 Перечислите основные факторы, влияющие на продолжительность нагревания древесного сортимента до заданной температуры.